車載含水乙醇低溫重整制氫裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型涉及內(nèi)燃機余熱應(yīng)用領(lǐng)域，具體地指一種車載含水乙醇低溫重整制氫 裝置。
【背景技術(shù)】
[0002] 為了緩解能源短缺和減少環(huán)境污染問題，尋找替代能源和降低有害排放正成為內(nèi) 燃機研宄領(lǐng)域的兩個重要課題。氫氣以其來源多樣、可再生性、清潔環(huán)保等突出特點成為當(dāng) 下新能源領(lǐng)域的研宄熱點。大量研宄表明，氫氣的擴散速度和火焰?zhèn)鞑ニ俣容^其它燃料更 快，辛烷值更高，可燃極限更寬，而點火能量較小。因此，在燃料中摻氫易于實現(xiàn)稀薄燃燒， 可以大幅度改善內(nèi)燃機的工作和排放性能，從而降低NOdP HC等有害物質(zhì)的排放量。
[0003] 已有的摻氫發(fā)動機的試驗和理論研宄，都證明了摻氫燃料在發(fā)動機中具有廣闊的 應(yīng)用前景。然而氫氣的獲取方式、儲運技術(shù)等問題使得摻氫發(fā)動機難以在實際中真正得到 推廣。如果利用廉價、可再生的生物乙醇代替氫氣隨車攜帶，并利用發(fā)動機尾氣余熱將生物 乙醇重整為氫氣，實現(xiàn)車載在線產(chǎn)氫，同時為汽車發(fā)動機實時供氫，那必將為摻氫燃燒發(fā)動 機的市場推廣提供新的思路和方向。同時，車載在線制氫還免去了氫氣的儲存與運輸環(huán)節(jié)， 使氫燃料在發(fā)動機上的應(yīng)用和推廣成為可能。
[0004] 利用汽車發(fā)動機余熱催化含水乙醇產(chǎn)生的重整氣體富含H2XHdP CO等，這種重整 氣十分適合發(fā)動機燃燒，無需經(jīng)過任何凈化處理就可以直接使用。在汽車發(fā)動機中摻氫，能 夠拓寬燃燒界限，加快燃油燃燒速率，實現(xiàn)穩(wěn)定的超稀薄燃燒，并且富氫氣體在空氣中的擴 散速度快，有利于燃油和空氣的均勻混合，提高發(fā)動機的動力特性。
[0005] 現(xiàn)有的重整制氫裝置形式多樣。例如，一種乙醇重整器（游伏兵，含水酒精重整燃 料發(fā)動機研宄，武漢理工大學(xué)博士論文）采用的是管殼式結(jié)構(gòu)，該裝置用兩個腔室將乙醇 水溶液的蒸發(fā)部分和乙醇水蒸氣的催化反應(yīng)部分隔開，在乙醇水溶液蒸發(fā)部分的管程中通 入含水乙醇，在乙醇水蒸氣反應(yīng)部分的管程中通入含水乙醇蒸氣，并在該部分的管程中添 加催化劑，而整個殼程中則通入發(fā)動機尾氣。該重整器兩個腔室之間的密封比較困難，且在 高溫條件下經(jīng)過長時間反應(yīng)后，由于在催化劑表面形成積碳、燒結(jié)等原因造成催化劑中毒 和管程堵塞，嚴(yán)重影響了乙醇的轉(zhuǎn)化率和氫氣的選擇性，甚至導(dǎo)致重整器失效。另外，中國 發(fā)明專利（CN100364881C)公開了一種改良后的多孔蜂窩陶瓷結(jié)構(gòu)的甲醇重整器，其在管 程中通入發(fā)動機尾氣，在殼程中通入甲醇，并且在管程和殼程之間添加了陶瓷結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu) 雖然避免了因催化劑積碳而形成的堵塞問題，但其內(nèi)部陶瓷結(jié)構(gòu)密度較大，導(dǎo)致其重整器 重量較大，且單級催化，很難同時保證較高的燃料轉(zhuǎn)化率和氫氣選擇性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本實用新型的目的是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中重整器容易堵塞、催化劑易燒結(jié)、氫氣 選擇性不高和乙醇轉(zhuǎn)化率較低的問題，而提出一種車載含水乙醇低溫重整制氫裝置。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所設(shè)計的車載含水乙醇低溫重整制氫裝置，包括筒 形結(jié)構(gòu)的反應(yīng)殼體，其特殊之處在于，所述反應(yīng)殼體前后兩端分別設(shè)置有前密封板和后密 封板，所述反應(yīng)殼體內(nèi)腔中從前向后緊鄰或間隔設(shè)置有涂敷堿性Cu基催化劑的初級鈦網(wǎng) 結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)和涂敷堿性Ni基催化劑的二級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)；所述初級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)與 前密封板之間形成含水乙醇蒸發(fā)腔，所述含水乙醇蒸發(fā)腔的殼壁上設(shè)置有含水乙醇進(jìn)口； 所述二級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)與后密封板之間形成重整產(chǎn)物匯集腔，所述重整產(chǎn)物匯集腔的殼 壁上設(shè)置有富氫氣體出口；所述反應(yīng)殼體內(nèi)腔中還平行布置有貫穿初級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)和 二級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)的換熱管束，所述換熱管束的兩端分別固定在前密封板和后密封板上 的安裝孔中；所述前密封板和后密封板外側(cè)分別設(shè)置有前端蓋和后端蓋，所述前端蓋上設(shè) 置有熱介質(zhì)出口，所述后端蓋上設(shè)置有熱介質(zhì)進(jìn)口，所述熱介質(zhì)出口通過換熱管束與熱介 質(zhì)進(jìn)口相連。
[0008] 進(jìn)一步地，所述初級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)和二級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)的鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)是由多片 正六邊形孔架結(jié)構(gòu)的蜂窩狀鈦網(wǎng)層疊組合而成，該結(jié)構(gòu)能增加催化反應(yīng)過程中的換熱量， 提高重整器的催化效率。
[0009] 更進(jìn)一步地，所述蜂窩狀鈦網(wǎng)的正六邊形孔邊長為3. 5~6. 5mm，相鄰蜂窩狀鈦網(wǎng) 的間距為0. 8~I. 8cm ;所述蜂窩狀鈦網(wǎng)上涂敷的堿性Cu基催化劑和堿性Ni基催化劑的 表面積為4000~5000cm2。最佳地，所述蜂窩狀鈦網(wǎng)的正六邊形孔邊長為5. 0~5. 5mm，相 鄰蜂窩狀鈦網(wǎng)的間距為I. 0~I. 5cm ;所述蜂窩狀鈦網(wǎng)上涂敷的堿性Cu基催化劑和堿性Ni 基催化劑的表面積為4500~4800cm2。
[0010] 更進(jìn)一步地，所述換熱管束兩端分別焊接在前密封板和后密封板上的安裝孔中； 所述前端蓋、前密封板、反應(yīng)殼體、后密封板和后端蓋之間通過緊定螺釘密封相連。這種結(jié) 構(gòu)方便本裝置的拆卸、維修、清洗、安裝以及添加更換催化劑等。
[0011] 更進(jìn)一步地，所述換熱管束的管徑面積總和與反應(yīng)殼體內(nèi)腔截面積的百分比范圍 為6%~13%，則換熱管束在反應(yīng)殼體內(nèi)腔中具有較強的導(dǎo)熱性，能快速將車載重整制氫 裝置內(nèi)腔的溫度提升至反應(yīng)溫度范圍。
[0012] 本實用新型的低溫重整制氫裝置可與汽車發(fā)動機等部件組成車載含水乙醇低溫 重整制氫應(yīng)用系統(tǒng)，所述低溫重整制氫裝置的含水乙醇進(jìn)口與車載含水乙醇箱的輸出端管 路相連，所述低溫重整制氫裝置的富氫氣體出口與汽車發(fā)動機的進(jìn)氣管相連，所述低溫重 整制氫裝置的熱介質(zhì)進(jìn)口與汽車發(fā)動機的尾氣管相連，所述低溫重整制氫裝置的熱介質(zhì)出 口與汽車尾氣處理裝置相連。
[0013] 其原理為：使含水乙醇溶液從含水乙醇盛裝箱中通過第一流量控制電磁閥噴射成 霧狀，并且隨著汽車發(fā)動機的尾氣管中尾氣溫度的上升，輸送泵的轉(zhuǎn)速增加，通過電磁閥控 制的含水乙醇的流量也將增加。汽車發(fā)動機的尾氣通過重整制氫裝置的管程，含水乙醇蒸 氣通過重整制氫裝置的殼程，重整反應(yīng)在殼程中的進(jìn)行。相對于催化反應(yīng)在管程中進(jìn)行的 方式，這種方式可以避免催化劑在反應(yīng)過程中造成嚴(yán)重的燒結(jié)和積炭、管程堵塞而使重整 器失效等問題。本實用新型采用兩級催化的制氫方式，使用的初級催化劑是堿性Cu基催化 劑，將含水乙醇初步重整為含有大量乙醛等副產(chǎn)物的富氫氣體，而使用的二級催化劑是堿 性Ni基催化劑，將初級反應(yīng)產(chǎn)生的乙醛等副產(chǎn)物進(jìn)一步催化，從而達(dá)到提高乙醇轉(zhuǎn)化率和 氫氣選擇性的目的。在乙醇水蒸氣重整反應(yīng)中，乙醇容易發(fā)生脫水反應(yīng)產(chǎn)生乙烯，而乙烯容 易發(fā)生聚合反應(yīng)在催化劑的表面形成積炭，嚴(yán)重影響到催化劑的活性和使用壽命。而堿性 催化劑能夠避免乙醇脫水生成副產(chǎn)物乙烯，從而減少反應(yīng)中產(chǎn)生的積炭量，提高催化劑的 活性和使用壽命。
[0014] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型利用蜂窩鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生較大的催化劑接觸表面 積，使兩級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)的體積得到縮小，有利于重整制氫裝置的小型化，使其實現(xiàn)車載 在線產(chǎn)氫的目的成為可能，并且其結(jié)構(gòu)緊湊，反應(yīng)面積大，反應(yīng)迅速，加上鈦網(wǎng)的換熱效率 高，換熱均勻，可以大大提高乙醇轉(zhuǎn)化率和氫氣的選擇性；兩級催化的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了催化劑的 相互協(xié)同作用，可以選擇最佳的兩種催化劑應(yīng)用到實際中，這種協(xié)同方式有效的解決了單 一催化劑的缺點，如：因形成積碳、燒結(jié)等問題造成的乙醇轉(zhuǎn)化效率和氫氣選擇性較低等問 題，同時可以增加裝置中催化劑的使用壽命；采用前、后密封板連接內(nèi)外部結(jié)構(gòu)的方式有別 于傳統(tǒng)的完全密封管殼式換熱器結(jié)構(gòu)，當(dāng)重整催化劑經(jīng)過長時間反應(yīng)，催化活性達(dá)不到要 求時，這種結(jié)構(gòu)形式能夠方便裝置的清洗和催化劑添加工作；利用低溫環(huán)境實現(xiàn)催化重整， 避免了催化劑因高溫灼燒而造成的燒結(jié)問題，使裝置在汽車上的適用范圍得到拓展。本實 用新型一方面利用了汽車尾氣余熱，對節(jié)能具有重要的意義。另一方面還實現(xiàn)了汽車在線 摻氫的目的以及提高了化石燃料的燃燒效率，降低了有害物質(zhì)的排放量，對環(huán)境保護(hù)同樣 具有重大的作用。
【附圖說明】
[0015] 圖1為本實用新型車載含水乙醇低溫重整制氫裝置的立體剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0016] 圖2為圖1中的A-A剖視結(jié)構(gòu)示意圖；
[0017] 圖3為車載含水乙醇低溫重整制氫應(yīng)用系統(tǒng)的連接結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018] 圖中：前端蓋1，緊定螺釘2,前密封板3,含水乙醇進(jìn)口 4,換熱管束5,初級鈦網(wǎng)結(jié) 構(gòu)反應(yīng)區(qū)6,二級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)7,富氫氣體出口 8,后端蓋9,重整產(chǎn)物匯集腔10,反應(yīng)殼 體11，蜂窩狀鈦網(wǎng)12,含水乙醇蒸發(fā)腔13,第一流量控制電磁閥14,輸送泵15,車載含水乙 醇箱16,電子控制單元17,進(jìn)氣管18,汽車發(fā)動機19,尾氣管20,溫度傳感器21，第二流量 控制電磁閥22,低溫重整制氫裝置23,汽車尾氣處理裝置24,熱介質(zhì)出口 25,熱介質(zhì)進(jìn)口 26,后密封板27。
【具體實施方式】
[0019] 以下結(jié)合附圖和具體實施例對本實用新型作進(jìn)一步的詳細(xì)描述。
[0020] 如圖1~2所示，本實用新型的車載含水乙醇低溫重整制氫裝置，包括筒形結(jié)構(gòu)的 反應(yīng)殼體11，反應(yīng)殼體11前后兩端分別設(shè)置有前密封板3和后密封板27,反應(yīng)殼體11內(nèi) 腔中從前向后緊鄰或間隔設(shè)置有涂敷堿性Cu基催化劑的初級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)6和涂敷堿 性Ni基催化劑的二級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)7。初級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)6和二級鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)反應(yīng)區(qū)7 的鈦網(wǎng)結(jié)構(gòu)是由多片正六邊形孔架結(jié)構(gòu)的蜂窩狀鈦網(wǎng)12層疊組合而成。蜂窩狀鈦網(wǎng)12的 正六邊形孔邊長為5mm，相鄰蜂窩狀鈦網(wǎng)12的間距為I. 0~I. 5cm ;蜂窩狀鈦網(wǎng)12上涂敷 的堿性Cu基催化劑和堿性Ni基催化劑的表面積為4500~4800cm2。